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X射线测厚仪操作机理

X射线测厚仪操作机理 

  X射线测厚仪操作机理摘自金属覆盖层/覆盖层厚度测量X射线光谱方法(G B/T 16921- 2005/ISO 3497:2000)标准,该标准是德国菲希尔fischer公司配合起草的新一代金属覆盖层/覆盖层厚度测量X射线光谱方法标准,替代G B/T 16921- 1997标准。X射线测厚仪操作机理如下:



  覆盖层单位面积质量(若密度已知,则为覆盖层线性厚度)和二次辐射强度之间存在一定的关系对于任何实际的仪器系统,该关系首先由已知单位面积质量的覆盖层校正标准块校正确定 若覆盖层材料的密度己知,同时又给出实际的密度,则这样的标准块就能给出覆盖层线性厚度。(注:覆盖层材料密度是覆盖状态的密度,不一定是测量时的覆盖层材料的理论密度。如果该密度与校正标准的密度不同,应当采用 个反映这种差别的系数并在测试报告中加以评注。)荧光强度是元素原子序数的函数 如果表面覆盖层、中间覆盖层(如果存在)以及基体是由不同元素组成或一个覆盖层由不止 一个元素组成,则这此儿素会产生各 自的辐射特征。可调节适当的检测器系统以选择一个或多个能带,使此设备既能测量表而覆盖层又能同时测量表面覆盖层和一些中间覆盖层的厚度和组成。X射线测厚仪操作机理中具体方法如下:

一、 激发

1、一般要求:X 射线光谱方法测定覆盖层厚度是基于一束强烈而狭窄的多色或单色 X 射线与基体和覆盖层的相互作用。此相互作用产生离散波长和能量的二次辐射,这些二次辐射具有构成覆盖层和基体的元素特征 。高压 X 射线管发生器或适当的放射性同位素可产生这样的辐射

2、由高压 X 射线管产生:稳定条件下如果对 X 射线管外加足够的电位,则能产生适当的激发辐射。大多数厚度测量要求的外加电压约为25 kV --50 kV 但为了测量低原子序数覆盖层材料,可能有必要将电压降至 10 kV 由于应用了安装在X 射线管和试样之间的基色滤色器,降低 了测量的不确定度。该激发方法的主要优点为:

a、通过准直,能在很小的测量面上产生一束极强的辐射束。

b、人身安-全要求容易保证;

c、通过现代电子学方法可获得足够稳定的发射

3、由放射性 同位素产生只有几种放射性同位素发射的7 射线在能量带上适合覆盖层厚度测量。理想的是,激发辐射的能量比要求的特征 X 射线能量稍高(波长稍短),放射性同位素激发的优点在于仪器结构更紧凑,这主要是因为无需冷却 此外,与高压X 射线管发生器不同,其辐射是单色的而且本底强度低。与X 射线管方法相比,其主要技术缺点是:所得强度低得多,不能进行小面积测量;一些放射性同位素半衰期短;高强度放射性同位素带来人员防护问题(高压 X 射线管可简单关闭)

二、色散

1、一般要求:覆盖层表面经 X 射线照射产生的二次辐射通常包含除覆盖层厚度测量所要求之外的成分。利用波长色散或能量色散可分离所需要的成分。2、波长色散:用 一个品体分光仪可选择覆盖层或基体的波长特征,现有的常用晶体典型特征辐射数据见各国权威机构的出版物。

3、能t 色散

X 射线量子通常是以波长或等效能量表示。波长和能量的关系式为:A X E = 1. 2 3 98 4 27式中:

A 波长,单位为纳米(nm );

F.- 能量 ,单位为千电子伏特 (keV )

三、检测

波长色散系统用的检测器类型由一充气管、固态检测器或与光电倍增器相连接的闪烁计数器构成能量色散系统用的*适当的接收荧光光子的检测器由仪器设计者根据应用选定。在 1.5 keV ^100 keV 的能带范围内,可在正常气氛中进行测量,而不需氦气或真空不同特征能4 的荧光辐射先进人能量色散检测器,然后再进人一多道分析仪以控制选择正确的能带

四、厚度测量

1、发射方法:若测量覆盖层的特征辐射强度,则在达到饱和厚度前,此强度将随厚度的增加而增加,见图 la).使用 X 射线发射方法时,将仪器调到接收选定的覆盖层材料的特征能量带,这样,薄覆盖层产生低强度而厚覆盖层产生高强度

2、吸收方法:若测量基体的特征辐射强度,则此强度随厚度增加而减小,X 射线吸收方法利用基体材料的特征能带。这样,薄覆盖层产生高强度而厚覆盖层产生低强度。在实际运用时 ,要注意确保 不存 在中间层吸收特征与发射特征反向相似

3、比率方法:当覆盖层厚度用基体和覆盖材料各自的强度比表示时,则可能使 X 射线吸收方法和发射方法结合 这种强度比率方法的测量基本同试样和检测器之间的距离无关。

4、测f对上面所描述的两种方法,许多商用仪器常采用归一化计数率系统,将无覆盖层的基体的特征计数率调整为。,而无限厚度的覆盖层材料的特征计数率为 l,因此 所有可测厚度计数率都处于 0 到 1 的归一化计数率范围。见图2 .在所有的情况下 ,测量 的*-好或*灵敏范 围大约在 。.3- 0.8 的特征计数 率标 度之 间。因此,要 在整个厚度范围得到*-好的测量精度,宜用 0.3- 0.8 的特征计数率值的校正标准。为了确保其他厚度的测量精度,一些仪器可能用其他标准。因为校止标准的不确定度随厚度的减少而增加,所以通过适当使用具有厚覆盖层而低不确定度的标准块,在厚度范围的薄端建立正确的数学关系。

五、二次辐射的吸收器

当测量具有宽能量差异(能量色散系统)的覆盖层/基体材料组合时,饱和厚度覆盖层和无覆盖层基体的特征计数率的比率很高(典型为 10 :1)。在这种情况下,不一定需要具有类似或相同基体的校正标准(因为基体材料将不辐射与覆盖层材料同样的能带)。当无镬盖层基体与无限厚覆盖层的计数率比为3 ,1 时(对具有相似能量的覆盖层/基体组合) ,往往必须选用一种“吸收器”,以吸收其中一种材料的辐射,通常指基体材料的辐射。这种吸收器通常是手动或自动放置在被测表面与检测器之间。

六、 数学反卷积

在使用多道分析器时,二次辐射频谱的数学反卷积可求出特征辐射强度。当被检测特征辐射的能量不能充分地区分时,如来自金(A u)和黄铜(Br)的特征辐射,则可使用这种方法。这种方法被称为“数字滤波”而有别于滤波法。

七、多层测f

只要内层的特征X 射线发射不完全被外层吸收,则可以测量一层以上的覆盖层。在一个能量色散系统中安装多道分析仪,用以接收两种或更多种材料的两个或更多个不同的特征能带。

八、 合金成分厚度测,某种合金和化合物,例如锡一铅,可以同时测量其成分和厚度 在某些情况下,该方法也可在上面描述的情况 「使用,例如,铜合金基体上/镍/把/金。因为合金或化合物的厚度测量取决于合金的成分,所以,必须在测量厚度之前知道或认定其成分或者能测量其成分。

注:认定的成分会引人厚度测量误差。一些筱盖层会通过与基体的互相扩散形成合金,这种合金层的存在可能增加测量的不确定度。

更多检测仪器:测厚仪高温耦合剂铁素体含量检测仪



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